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铁钩子
2010-01-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《CPU)ppt》,可适用于IT/计算机领域

第章微型机的中央处理器CPU第章微型机的中央处理器CPU性能指标关键技术功能结构发展趋势第章微型机的中央处理器CPUCPU中央处理器MPU微处理器Intel(位)、Z微机(位)IBMPC简称PC(PersonalComputer)位Intel(的简化版)表第章微型机的中央处理器CPUCPU的主要技术参数CPU的主要技术参数位、字节和字长时钟频率主频、外频和倍频、超频运行L和LCache的容量和速率扩展指令集工作电压总线宽度地址总线宽度、数据总线宽度制造工艺位、字节和字长位、字节和字长位:二进制位“”或“”。字节:位二进制位字:两个字节字长:CPU一次处理的二进制数的位数常见的有、、、、、位。时钟频率时钟频率时钟频率:周期性脉冲信号的频率单位Hz。主频:工作频率CPU内核的实际运行频率。外频:前端总线频率或系统总线时钟频率由主板提供的时钟频率是内存等的工作频率。倍频系数:主频=外频×倍频系数(DX)超频运行:使CPU工作在高于额定工作频率L和LCache的容量和速率L和LCache的容量和速率L和LCache的容量和工作速率对提高微机速度起关键作用LCache对提高运行图形处理较多的软件速度有显著作用CPU扩展指令集CPU扩展指令集增强CPU的多媒体、图形、图像和Internet等的处理能力。IntelMMXMultiMediaeXtended多媒体扩展SSEStreamingSingleinstructionmultipledata(SIMD)Extensions单指令多数据流扩展SSE、SEEAMDDNow!DnowaitingEnhancedDNow!工作电压工作电压CPU正常工作所需的外加电压电压越低功耗越小、运行速度越高。早期(-时代)一般为VCPU的发热量大寿命短。近年来CPU的工作电压有逐步下降的趋势一般CPU工作电压低于V有的已低于V。笔记本专用CPU工作的电压更低V。地址总线宽度、数据总线宽度地址总线宽度、数据总线宽度地址总线宽度可访问的物理地址空间如:根地址线的寻址能力为GB(B)数据总线宽度与二级高速缓存、内存和IO设备间一次数据传输的位数==K==K=M=G=×=G制造工艺制造工艺线宽芯片上最基本功能单元(门电路)的宽度也是连线的宽度目前采用铜连线。第一代奔腾CPU为微米MhzPII和赛扬为微米Mhz铜矿核心的奔腾Ⅲ为微米GhzNorthwood核心的奔腾CPU为微米Prescott核心的奔腾CPU为微米目前为纳米提高CPU性能的先进技术提高CPU性能的先进技术流水线与超标量结构指令的执行过程:取指令FI:从内存读取这条指令。译码D:将指令翻译成操作命令。取操作数FO:从内存中读取执行该条指令所需的操作数。执行指令E:CPU个部件实际执行这条指令。回写W:将执行的结果送回内存或寄存器中。取指令FI流水线指令的执行过程流水线指令的执行过程流水线(pipeline)流水线(pipeline)在中首次使用在CPU中由不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线将一条X指令分解后由这些电路单元分别执行。目前CPU的流水线已长达几十级流水线(pipeline)流水线(pipeline)流水线的问题相关后面的指令需用前面指令的运行结果解决的方法:乱序执行在两条相关指令中插入不相关的指令转移条件转移解决的方法:分支预测在没有得到结果之前预测下一条需执行的指令目前能达到以上的正确率。超标量技术(superscalar)超标量技术(superscalar)Pentium是Intel家族中最早采用超标量结构的处理器CPU中有一条以上的流水线CPU集成了多个ALU、多个FPU、多个译码器以并行处理的方式来提高性能。高速缓存(Cache)技术高速缓存(Cache)技术CPU的运算速度与主存的读写速度不匹配在CPU与主存间加入容量较小、与CPU速度相当的SRAM(静态存储器)Cache储存了主内存的映象通过访问Cache来完成数据的读写。Cache全部技术由硬件实现对应用程序和系统程序员均透明。Cache的实现原理Cache的实现原理Cache的工作原理是基于程序访问的局部性时间局部性:如果一个存储项被访问则可能该项会很快被再次访问。空间局部性:如果一个存储项被访问则该项及其邻近的项也可能很快被访问。InstructionCache(指令缓存)和DataCache(数据缓存)Cache的工作原理Cache的工作原理Cache的命中率Cache的命中率命中率:命中的访问次数和总访问次数之比命中时间:访存Cache失效率:失效的访问次数和总访问次数之比失效时间:访问存储器Cache的容量大:命中率高、命中时间长当超过一定值后命中率随容量的增加并不会有明显地增长小:命中率低命中时间短。Cache系统须解决的三个问题Cache系统须解决的三个问题定位问题处理器按主存地址访问存储器通过主存Cache地址映象机构判定该地址的存储单元是否在Cache中如果在(命中)按Cache地址访问Cache。替换问题不命中时要从主存储器调入数据到Cache若Cache满则按某种算法将Cache中的某一块替换出去并修改有关的地址映象关系。Cache系统须解决的三个问题Cache系统须解决的三个问题数据一致性(Cache与主存储器数据一致性)Cache内的数据经过运算后比主存储器的数据新何时将Cache中得到的结果写到主存储器中Cache的基本结构与地址映象方式Cache的基本结构与地址映象方式Cache通常由相联存储器实现访问相联存储器时将地址和每一个标签进行比较对标签相同的存储块进行访问。Cache的组成Cache的组成Cache的地址映象与变换Cache的地址映象与变换完全相联法(全相联映象)主存块可映象到任何Cache块当Cache块全部装满后才会出现块冲突命中率高、命中时间长Cache的地址映象与变换Cache的地址映象与变换直接映象法主存块映象到Cache中指定的块更新数据原块将无条件地被替换。命中率低、命中时间短。Cache的地址映象与变换Cache的地址映象与变换组相联法(组相联映象)将存储空间分成若干组组采用直接映象组内各块采用全相联映象Cache与DRAM存取策略Cache与DRAM存取策略读方式:贯穿读出式(LookThrough)旁路读出式(LookAside)写方式:写回式(CopyBack)全写式(WriteThrough)贯穿读出式(LookThrough)贯穿读出式(LookThrough)数据请求先送到Cache不命中再将数据请求传给主存。降低了对主存的访问次数但延迟了对主存的访问时间。旁路读出式(LookAside)旁路读出式(LookAside)同时向Cache和主存发出请求命中后切断对主存的请求对主存访问无延迟但占用总线。写回式(CopyBack)写回式(CopyBack)写操作时信息只写入Cache当替换时才将改写过的Cache块送回主存。复杂数据一致性的问题效率高全写式(WriteThrough)全写式(WriteThrough)写操作时信息同时写入Cache和主存。简单写主存速度低、占用总线效率低。写一次式写一次式第一次为全写式以后采用写回式数据一致性与效率间的平衡PC中的Cache技术的实现PC中的Cache技术的实现Cache的替换策略Cache的替换策略先进先出(FirstInFirstOutFIFO)依据是数据在Cache中的时间而不是其在Cache中的使用情况最不经常使用(LeastFrequencyUsedLFU)被替换的是两次替换间隔内CPU访问次数最少的。近期最少使用(LeastRecentlyUsedLRU)替换在近段时间里被CPU访问次数最少的是LFU的拓宽目前最优秀的。Cache的分级体系设计Cache的分级体系设计微处理器性能=k(fⅹCPI-(-H)ⅹN)K:比例常数f:工作频率CPI:每条指令执行需要的周期数H:Cache的命中率N:存储周期数。提高处理器的性能提高工作频率提高指令级的并行度提高Cache的命中率Cache的分级体系设计Cache的分级体系设计Cache的分级体系设计Cache的分级体系设计LCache为内置(即在CPU内部)一般采用SRAM容量有加大的趋势。LCache有内置和外置两种内置与CPU同步工作外置一般与CPU实现紧密耦合如果CPU与LCache集成在单芯片上的耦合效果可能更佳。如CPU内已有L和LCache主板上的称为LCache。扩展指令集扩展指令集从PMMX开始Intel和AMD的处理器在X指令集的基础上各自开发了扩展指令集。包含对多媒体、D处理等方面的支持需有必要的软件支持MMX技术MMX技术是SIMD技术在奔腾的具体实现向下兼容与已有的操作系统和软件处理定点数据MMX技术核心种新的数据类型个位宽的MMX寄存器条新指令MMX技术的主要特点MMX技术的主要特点“SIMD”型指令一条指令可处理多个数据“饱和运算”当运算结果超出最大值时按最大值运算当运算结果低于最小值时按最小值运算“积和运算”执行:乘法运算加法运算MMX的SIMDMMX的SIMDX=(,,,,,,,)Y=(,,,,,,,)Z=(,,,,,,,)MMX的“饱和运算”MMX的“饱和运算”原信号波形(无符号数)原信号波形经过非饱和运算放大原信号波形经过饱和运算放大MMX的“积和运算”MMX的“积和运算”“DNOW!”技术“DNOW!”技术AMD公司推出第一种D加速指令集“SIMD”加速对象是的浮点运算主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等EnhancedDNow!指令集SSE技术SSE技术最先运用于PIII系列提高处理器浮点性能提升图像处理、浮点运算、D运算、多媒体处理等应用能力与DNow!不兼容包含了DNow!中的绝大部分功能从软件实际运行效果来看SSE比DNow!更胜一筹。SSE和SSE技术SSE和SSE技术SSE和SSE指令集主要用于P系列SSE包括:SSE和MMXSSE划分为五个应运层数据传输命令数据处理命令特殊处理命令优化命令超线程性能增强超线程性能增强是一种全新的指令集它可以提升处理器的超线程的处理能力大大简化超线程的数据处理过程使处理器能更加快速地进行并行数据处理。位体系位体系位计算:位的处理器、操作系统和软件位计算的主要优点快速进行更大范围的整数运算例:位加法:Z=XY位实现ZL=XL(半加ADD)YLZH=XH(全加ADC)YH位实现Z=X(半加ADD)Y可以支持更大容量的内存(一般为位地址)位体系位体系兼容X的位的主流技术AMD的AMD(X、AMDISA)ISA:InstructionSetArchitectureIntel的EMT(IAExtension)IA:IntelArchitectureEMT:ExtendedMemoryTechnologyIAIAHP和Intel合作开发不兼容现在的X位处理器。RISC和VLIW(超长指令字)的结合起来采用EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing)技术定义了新的位ISA。Itanium(安腾)系列AMD位技术AMD位技术兼容位X软件支持位长模式(LongMode)和位传统模式(LegacyMode)新增几组CPU寄存器提供更快的执行效率Athlon(速龙)、FX和Opteron(皓龙)系列Intel位技术(EMT)Intel位技术(EMT)兼容位X软件支持IA扩展模式(IAemode)和传统IA模式(legacyIAmode)Xeon、P和PEE系列超线程技术(HT)超线程技术(HT)CPU性能的提升可以有多种不同的方法:、提高时钟速率、充分利用处理器资源采用超级流水线分支预测超标量容量更大的高速缓存、超线程技术(HyperThreadingHT)Intel处理器技术的重要里程碑超线程技术(HT)超线程技术(HT)超线程技术(HT)超线程技术(HT)分配线程支持HT的操作系统将一个P“视作”两个虚拟(逻辑)处理器为每个虚拟处理器分配一个线程。分配资源在两个虚拟处理器间分配执行资源(高速缓存、执行单元和总线等)充分利用闲置资源。多个线程同步执行在多任务环境中HT处理器可提高软件性能在多处理器环境中运行的Windows应用程序可在基于HTP系统中运行超线程技术(HT)超线程技术(HT)、支持HT的IntelP、支持HT的Intel芯片组、BIOS支持HT并被设为开启状态、针对HT而进行了优化的操作系统WindowsXP(ProfessionalHome)Intel建议为WindowsXPProfessional选择SP。RedHatLinux(ProfessionalPersonal)、RedFlagLinuxDesktop、SuSeLinux(Professional和Personal)和COSIXLinux。、针对HT的软件多核心技术双核心多核心技术双核心是CMP(ChipMultiProcessors单芯片多处理器)中最基本、最简单、最容易实现的一种类型在一块CPU基板上集成两个处理器核心并通过并行总线将各处理器核心连接起来。处理器的运行起来象是一个双处理器架构但实际上只是一个单处理器架构。软件必须进行专门的设计才能够充分利用多个核心多核心技术双核心多核心技术双核心多核心技术双核心多核心技术双核心多核心技术四核心多核心技术四核心多核心技术四核心多核心技术四核心迅驰(Centrino)移动计算技术迅驰(Centrino)移动计算技术构使笔记本更轻、更薄、更省电、功能更强不只是一个CPU是一套具备无线技术网络的移动系统!PM芯片组PROWireless无线网络接入适配器酷睿处理器移动版本平台酷睿处理器移动版本平台CPU的封装与接口类型CPU的封装与接口类型CPU的封装封装是集成电路芯片的外壳是制造的最后一步也是最关键的一步。作用安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性与外部电路的连接封装材料Organic有机Ceramic陶瓷Plastic塑料               CPU的封装CPU的封装DIP(DualInlinePackage)LCC(LeadedChipCarrier)CPU的封装CPU的封装QFP(QuadFlatPockage)CPU的封装CPU的封装SECC(SingleEdgeContactCartridge)CPU的封装CPU的封装CPU的封装CPU的封装PGA(PinGridArrayPackage)CPU的封装CPU的封装CPU的封装CPU的封装CPU的封装CPU的封装FCPGA(FlipChipPGA)CPU的封装CPU的封装FCPGA增加HIS顶盖(IntegratedHeatSpreader)CPU的封装CPU的封装LGA(LandGridArray)CPU的封装CPU的封装MMC(MobileMiniCartridge)CPU的封装CPU的封装mPGA/μPGA(micorPGA)CPU的接口CPU的接口CPU和主板连接的接口主要有两类:卡式接口SLOTCPU竖立插在主板上CPU的接口CPU的接口针脚触点式接口SocketCPU平放在主板上CPU的接口CPU的接口CPU的接口CPU的接口CPU的内核(Die)CPU的内核(Die)CPU内核的类型制造商对内核给出的代号版本变更的一般原因:修正上一版存在的错误并提升一定的性能。制造工艺、核心面积、晶体管数量。核心电压、电流大小(功耗)。各级缓存的大小、前端总线频率(FSB)、主频范围、流水线架构、支持的指令集。封装方式和接口类型典型CPU介绍典型CPU介绍Pentium(奔腾)年推出内部代号是PC即经典奔腾(IntelPentiumClassic)典型CPU介绍典型CPU介绍PentiumPro高能年推出属P系列。典型CPU介绍典型CPU介绍PentiumMMX多能年推出内部代号是PC典型CPU介绍典型CPU介绍PentiumII年月推出与PentiumPro为同一个级别。典型CPU介绍典型CPU介绍第一代PentiumIII处理器SSE典型CPU介绍典型CPU介绍第二代PentiumIIICoppermineFCPGA封装典型CPU介绍典型CPU介绍第三代PentiumIIITualatinCeleron“赛扬”Celeron“赛扬”取消或减少了内部缓存器的处理器发展的八个阶段:第一阶段:代号为“Covington”的赛扬和没有片内L缓存。赛扬的浮点运算能力与PII一样而其整数运算能力很差。采用微米Slot架构。第二阶段:代号为“Mendocino”的赛扬和、、KL缓存并以与CPU相同频率工作。采用微米Slot架构。Celeron“赛扬”Celeron“赛扬”第三阶段:采用了Socket架构核心工作电压为VCeleron“赛扬”Celeron“赛扬”第四阶段(赛杨代):SIMD、SSE指令全速L(K)PII结构微米。外频MHZ主频~MHZ。Celeron“赛扬”Celeron“赛扬”第五阶段:M外频的赛扬微米V核心电压全速的L缓存L和CPU核心之间的通道是位。Celeron“赛扬”Celeron“赛扬”第六阶段:(赛扬)起步频率为GHz采用微米Tualatin核心全速的KB一级缓存和KB的二级缓存MHzFSB核心电压VCeleron“赛扬”Celeron“赛扬”第七阶段:(赛扬)工作频率GMHz的前端总线基于Notherwood核心的KB二级缓存微米核心电压VCeleron“赛扬”Celeron“赛扬”第八阶段:(CeleronD)FSB由MHz提升至MHzSEE指令LGA采用了Prescott核心LDataCache由KB增至KBLCache同样增大了一倍达到了KB。典型CPU介绍NetBurst典型CPU介绍NetBurstNetBurst的特点NetBurst的特点倍频方式实现CPU、内存和FSB的配合TraceCache存储x指令解码后生成的“微操作(microoperationμOP)”指令可按照不同的程序分支各自存储。超长流水线层以上HyperPipelinedTechnology(超级流水线技术)数据缓存容量是P的一半牺牲容量来降低等待时间强化多媒体指令(SSESSE)Willamette内核Willamette内核微米的铝连线技术六层CMOS工艺核心工作电压为V级的超级流水线GHzGHzNorthwood内核Northwood内核工作频率:GHz~GHz(最高设计频率)微米,GHz采用微米制造工艺。核心工作电压为VKB全速L比Willamette增加了一倍采用PGA封装设计Prescott内核Prescott内核采用PGA或LGA微米MHZ前段总线频率核心电压为V级超级流水线L缓存增加到M支持HT支持EMTGallatin内核Gallatin内核采用PGA和LGA架构微米MhzFSBML速度与CPU外频相同用于Xeon系列可构建多处理器系统支持HTSmithfield核心的PentiumDSmithfield核心的PentiumD双Prescottdies共享前端总线PentiumDXXPresler核心的PentiumDXXIntel全新的微架构Core(酷睿)Intel全新的微架构Core(酷睿)Yonah微架构的处理器命名为CoreDuoCore微架构的桌面处理器Conroe和笔记本处理器Merom采用相同的命名方式CoreDuo桌面服务器处理器Woodcrest命名为CoreExtremeCoreDuoQuadCoreDuoQuad双CoreDuo(CD)在待机状态功耗W与CoreExtreme全速运行时相仿CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号PANorthwood内核、MHzFSBPBNorthwood内心、MHzFSBPCNorthwood内心支持超线程技术PEPrescott核心、采用了第二代HT、SSE和从PM借鉴过来的技术等CPU型号CPU型号PEE(ExtremeEdition)是Xeon的衍生版采用Gallatin核心PFPrescottBITCPU型号CPU型号PD和PEE分别对应P和PEE的定位集成两个核心仍是NetBurst架构的延续支持EMT支持ExecuteDisableBit(XD防病毒)支持EIST(增强型IntelSpeedStep节能技术)由是否支持HT来区分PD和PEECPU型号CPU型号Xeon服务器处理器PM和PMM处理器是迅驰移动计算技术的重要组件Pentium的新命名方法Pentium的新命名方法CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号CPU型号AMD系列CPUAMD系列CPUK、K系列AMD系列CPUAMD系列CPUDuron(钻龙、毒龙)AMD系列CPUAMD系列CPUSempron(闪龙)AMD系列CPUAMD系列CPUOpteron(皓龙)AMD系列CPUAMD系列CPUAthlon(速龙)AthlonXPAMD系列CPUAMD系列CPUAthlon×AMD系列CPUAMD系列CPUAthlonAMD系列CPUAMD系列CPUTurion(炫龙)AMD系列CPUAMD系列CPU

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